CN102536587B - 具有包围燃烧室外面的加热棒的载荷感应套筒的电热塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电热塞，包括加热棒(11)，具有加热棒的接纳壳体(14)的柱塞体(13)，用于安装加热棒、允许加热棒相对于柱塞体轴向平移运动并且保证加热棒和柱塞体之间的不渗透性的安装装置(48)，载荷感应套筒(17)，其围绕着加热棒的外围金属管(59，61)的近端部(50)在接纳壳体的近端区域(51)内延伸，在近端侧轴向直接邻接安装装置(48)。

Description

具有包围燃烧室外面的加热棒的载荷感应套筒的电热塞

技术领域

本发明涉及电热塞(glow plug)，特别是用于柴油机的电热塞，包括加热棒，以及可以进行缸体压力测量的集成的载荷传感器。

背景技术

电热塞的加热棒是刚性杆或棒的形式，其沿作为主轴的轴线从柱塞本体纵向延伸到燃烧室内。贯穿全文，术语“远端”以及衍生词代表轴向位于延伸到燃烧室内的加热棒的自由末端侧的方向，元件或部分，并且术语“近端”及其衍生词代表轴向位于相反侧，也就是朝向安装电热塞的发动机的缸体头部外侧的方向，元件或部分。

加热棒还从近端侧延伸到柱塞体内，并且具有近侧末端，其被装备有形成加热棒的第一电源端子的电连接部，通常具有轴向伸出加热棒的近侧末端的电极。贯穿全文，当提供加热棒电源电极时，不认为所述电源电极形成加热棒自身的一体部分。因此，当提供电源电极时，加热棒的近侧末端不同于电源电极的近侧末端。

柱塞包括圆柱形柱塞体，其具有带螺纹的外部用于安装到缸体头部上，并且形成用于接纳从所述近侧末端延伸的加热棒的近端部的圆柱形内部壳体，所述壳体具有用于加热棒穿过的开口，以使加热棒(在远端侧)轴向伸出所述近端部和开口，并且具有与加热棒的远侧末端一样远的加热远端部。

加热棒是陶瓷棒的形式或是标准化的恒定尺寸的金属管的形式，陶瓷棒被机加工成形并且设置在安装于柱塞体内的外围金属管内(通过铜焊固定或通过(紧固装置)强迫插入)；金属管在其远侧末端被封闭(此金属管接纳电源电极)。因此不管哪个实施例，加热棒都包括外围金属管。此外围金属管的外径在延伸到柱塞体内的加热棒的近端部中至少大约恒定，并且根据标准必须等于4mm。

柱塞还包括用于将加热棒的所述近端部安装到所述接纳壳体中的装置，所述安装装置能够：

允许加热棒相对于柱塞体的轴向平移运动，以便可以测量缸体压力，

保证加热棒和柱塞体之间的不渗透性，从而限定不暴露于燃烧室气氛中的接纳壳体的近端区域，

与至加热棒和载荷传感器的各种电连接相容和/或提供所述各种电连接。

将这种载荷传感器集成到电热塞内用于缸体压力测量带来了许多矛盾和不能解决的问题。具体地，传感器必须暴露于燃烧室气氛中，或者承受那里非常高的温度，并且可能造成它的破坏，或至少严重妨碍其行驶功能；另外其必须能够容置于柱塞内，至少减少了柱塞内的可用空间；以及传感器的功能行驶必须可靠，也就是，不受(例如，振荡现象、阻尼(damping)、不同的热膨胀等)干扰地产生表示缸体压力的信号。

已经建议了将载荷传感器集成到电热塞内的各种方法。

在第一个已知的解决方案中(例如，参考US 7444973)，由于需要径向空间，载荷传感器被置于加热棒的电源电极的近侧末端，也就是缸体头部外侧，其所处的位置距加热棒自身轴向某一距离，且甚至可以认为是电热塞外面。此方案的主要缺点是干扰测量，由于缸体头部和柱塞体(在朝向电极延伸的部分中)的变形。缸体头部的变形模式从一个发动机到另一个发动机各不相同，从而载荷传感器不能进行绝对标定。有利地，承受燃烧室内压力载荷的加热棒和传感器之间的运动学连接装置的长度在传感器的通频带中产生常规振动模式(normal vibration mode)，这可能阻碍其行使功能。

在第二个已知的解决方案中(例如，参考US 7581520，US2009/0242540)，传感器是围绕着电源电极或延长杆的形式，伸出加热棒的近侧末端，并且弹性可变形的挠性不渗透性薄膜被提供用于将加热棒的远端部连接至柱塞体，从而提供不渗透性并且允许轴向平移运动。因此，传感器与燃烧室相对较好地热绝缘。但其到加热棒的机械连接装置需要特别复杂的外围安装零件，因此，一方面导致机械阻抗(并且因此可能干涉常规模式)，另一方面导致热膨胀差别的问题，这些问题解决起来相对较复杂。

在第三个已知的解决方案中(例如，参考US 20080216786，EP2138819)，其被限制于具有陶瓷棒的加热棒的情况，传感器被直接抵靠着加热棒的近侧末端放置。此方案可在加热棒和传感器之间建立更直接的连接，但带来的问题是传感器对空间的要求以及其与加热棒(电极)的电连接元件发生干涉。另外，与装配体单元(柱塞体/加热棒/传感器/柱塞体)的常规模式和热膨胀差别相关联的问题仍存在。在本文中，应注意加热棒的长度典型地为约50mm(对于4mm的直径来说)。最后，此方案与所谓的全金属加热棒不相容，全金属加热棒是金属管的形式。

另外，将载荷传感器集成到加热棒自身内实际上是不可能的，即便在具有陶瓷棒的加热棒的情况下理论上可能(设置于棒和外围金属管之间，参考US 20070095811)，一方面因为传感器必须暴露于燃烧室的气氛和极高温度下(约1200℃)，另一方面要求制造和检验加热棒和传感器的接头(joint)，加热棒和传感器是不同供应商制造的复杂部件并且需要不同的技术，最后因为它在传感器的装配和电连接中带来了还没有解决的问题。此外，在这种情况下，此方案与(金属管和内部金属电极形式的)全金属加热棒也不相容。

发明内容

因此，本发明旨在通过建议一种包括载荷传感器的电热塞来克服现有技术中的这些缺点，其中：

-载荷传感器供给表述缸体压力的信号，而不与传感器，一方面和加热棒，另一方面和柱塞体，之间的机械连接的特征相冲突，在最大可能的通频带中，具体地可能超过8kHz，

-载荷传感器与燃烧室气氛相隔离，并且不暴露于其极高的温度下，

-单元的装配体不承受热膨胀差别，热膨胀差别可能妨碍电热塞良好地行驶功能或传感器供给的信号质量，

-载荷传感器没有集成到加热棒自身内部，从而其不影响加热棒的寿命和可靠性，

-载荷传感器的灵敏度得到最优化，从而载荷传感器提供的信号可以检测相对小数值的压力变化(目的是可以更好地检测压力变化的不同阶段，而与发动机模式或其速度无关，并且因此可以通过处理这些信号的电子装置更好地控制发动机)，

-一方面加热棒，以及另一方面载荷传感器，的电连接可以简单可靠的方式实现。

为此，本发明涉及一种电热塞，包括：

-加热杆，其包括外围金属管，并且具有作为近侧末端的末端，所述近侧末端被装备有加热棒的电源连接部，

-柱塞体，其形成作为接纳壳体的壳体，所述接纳壳体接纳加热棒，所述加热棒具有轴向延伸的远端部，伸出柱塞体，

-安装装置，用于将加热棒安装在所述接纳壳体内，所述安装装置被设置成：

允许加热棒相对于柱塞体轴向平移运动，并且

保证加热棒和柱塞体之间的不渗透性，从而限定出接纳壳体的近端区域，该近端区域不暴露于接纳电热塞的发动机燃烧室中的气氛，

-荷感应套筒，其整个在接纳壳体的所述近端区域内延伸，所述载荷感应套筒成管状并且具有：

第一轴向末端，其被连接至加热棒，以通过加热棒至少在朝向近端的方向上的运动而被驱动进行轴向平移，其中加热棒沿所述朝向近端的方向重新进入柱塞体的内部，以及

第二轴向末端，与第一轴向末端相反，所述第二轴向末端被连接至柱塞体，以便加热棒相对于柱塞体的轴向平移运动在所述载荷感应套筒中产生轴向压缩和/或牵引应力，

其特征在于，所述管状载荷感应套筒围绕着加热棒的外围金属管的作为近端部的那一部分延伸，加热棒还在所述接纳壳体的近端区域内延伸，并且所述管状载荷感应套筒在近端侧轴向直接邻接安装装置。

在根据本发明的柱塞中，载荷感应套筒成管状并且围绕着加热棒的外围金属管的近端部延伸，对应于加热棒的外围金属管(标准数值4mm)的恒定直径-具体地最大直径-截面。

由于本发明，载荷传感器相对于加热棒的位置将所有机械(柱塞体与缸体头部的变形干涉，干涉常规模式)或热学(热膨胀差别)连接的问题减到最少，或甚至消除了这些问题。然而，载荷传感器不暴露于燃烧室气氛或其极高的温度中。实际上在根据本发明的柱塞中，请注意载荷感应套筒可以承受超过170℃的温度，此温度完全可接受。

此外，在根据本发明的电热塞中，考虑到载荷传感器的特殊形状和位置，其实际功能是检测加热棒和柱塞体之间的机械组件的剪切应力。此检测通过将剪切载荷变换成压缩和/或牵拉的轴向载荷(也就是平行于套筒的轴线)而实现的，所述变换是严格线性的，并且不造成线性错误。结果是检测被线性转换，并且提高了传感器的综合灵敏度。

同样地，和与金属管形式的加热棒相容一样，本发明可与具有陶瓷棒的加热棒相容，并且根据本发明的电热塞几乎可以普遍用于任何发动机上，载荷传感器的尺寸设置通过结构保证。

因此，根据第一变异实施例，有利地并且根据本发明，加热棒是设置在外围金属内的陶瓷棒的形式，所述载荷感应套筒围绕着加热棒的外围金属管的近端部延伸。根据第二变异实施例，有利地并且根据本发明，加热棒基本上是金属管的形式，所述载荷感应套筒围绕着所述金属管的近端部延伸。具体地，在根据本发明的电热塞中，载荷感应套筒不整个围绕着加热棒的电源电极延伸，而是围绕着加热棒自身的外围金属管的近端部(恒定直径等于4mm)延伸。事实证明不但可行(虽然具有很小的可用径向空间)，而且可以获得重要的优势。

另外，加热棒的近侧末端整个保持是可触及的，并且一方面可用于电连接，另一方面可用于优化机械装配，例如引入阻尼元件。

在根据本发明的电热塞中，载荷传感器在近端侧轴向邻接加热棒相对于柱塞体的安装装置，并且发明人已经注意到本发明可以同时最佳得导引加热棒和设置电连接，电连接同样是最佳的并且引入了屏蔽。

本发明还与最接近燃烧室的安装装置的不渗透性薄膜的位置相容，这可以避免从燃烧室沉积的碳堵塞柱塞的近端部。

另外，发明人已经注意到实际上可以限定与电热塞的(标准)常规径向尺寸相容的机械和电安装载荷感应套筒的方式。因此，具体地，在根据本发明的电热塞中，所述安装装置包括安装套管，所述安装套管在所述接纳壳体内并且围绕着加热棒的外围金属管的所述近端部固定，并且所述载荷感应套筒由所述安装套管承载。载荷感应套筒轴向延长近端侧的安装套。

有利地，根据本发明的电热塞的特征还在于安装套管具有第一固定面和第二固定面，所述第一固定面被朝向接纳壳体刚性且不渗透地(也就是通过不可渗透性固定装置)固定至内壁，所述第二固定面被刚性且不渗透地(也就是通过不可渗透性固定装置)围绕着加热棒的所述近端部固定，并且所述安装套管的第一和第二固定面在轴向上至少部分彼此面对。优选地，有利地并且根据本发明，所述载荷感应套筒朝向加热棒的近侧末端轴向伸出安装套管的所述固定面。具体地，结果是载荷感应套筒供给表示安装套管的这两个固定面之间的剪切载荷的信号。而且，缸体头部或柱塞体的变形不妨碍载荷感应套筒进行的检测。另外，当加热棒的温度升高时，在这两个固定面之间在安装套管中可以径向地建立热流，这允许热量(卡路里)有效地传递至缸体头部，从而电热塞的其它元件，包括载荷感应套筒，更少地承受极高的温度。

另外，有利地并且根据本发明，所述载荷感应套筒的所述第一轴向末端是载荷感应套筒的远侧末端，并且所述载荷感应套筒的所述第二轴向末端是载荷感应套筒的近侧末端。

具体地，有利地并且根据本发明，所述安装套管包括连接管，所述连接管围绕着载荷感应套筒并且将载荷感应套筒的所述第二轴向末端连接至所述第一固定面。这样的结果是载荷感应套筒在至少彼此近似径向面对的区域内分别靠在加热棒和柱塞体上，并且因此检测者两个区域之间的剪切载荷。而且，应注意载荷感应套筒的所述第一轴向末端位于比所述第一固定面更近端的位置上。

另外，有利地并且根据本发明，所述安装套管包括用于接纳形成所述第二固定面的加热棒的套筒，以及形成所述第一固定面的固定环，所述接收套筒在固定环内的轴向平移中被引导，所述接收套筒被连接至固定环的远侧末端。接收套筒的远侧末端被连接至固定环，以使其具有抵抗加热棒在朝向近端的方向上轴向平移运动的轴向弹性，从而载荷感应套筒承受被如此形成的弹性阻力降低了的绝对数值的载荷。例如，接收套筒的远侧末端在近端侧被朝向外面卷起，从而如此形成的卷起部在弯曲中具有弹性。而且，此卷起部自身是不可渗透的，接收套筒和固定环的远侧末端适于保证加热棒和柱塞体之间在柱塞体远侧末端的不渗透性。

应注意连接管被有利地选择成在轴向牵引中具有弹性，这可以补偿与温度有关的接收套筒的远侧末端的机械性能的变化，具体地弹性的变化。事实上，结果是所述连接管例如可以是非常细的金属管的形式，这可以由与制造接收套筒的材料相同或类似的材料实现，或者在任何情况下具有与温度有关的相同或类似的弹性变化。有利地并且根据本发明，连接管被连接至固定环的近侧末端。

另外，有利地并且根据本发明，所述载荷感应套筒是管状块的形式，并且所述加热棒-具体地加热棒的外围金属管-整个轴向穿过安装套管，并且至少部分穿过载荷感应套筒。形成载荷感应套筒的管状块包括至少一个压电垫圈或至少一个应力计。由安装套管(在接收套筒的近侧末端并且通过连接管)承载的载荷感应套筒被设置成不与加热棒相对于柱塞体的平移中的运动相干涉。

本发明还涉及一种电热塞，其特征在于在上面或下面提到的所有特征或一些特征的组合。

附图说明

本发明的其它目的、特征和优势在阅读了下面的描述后将变得显然，下面的描述参考作为非限制性示例呈现了本发明的实施例的附图，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的电热塞(glow plug)的远侧部分的轴向剖视图；

图2至5是根据本发明的第一实施例的电热塞的不同制造阶段的高度的示意图；

图6是根据符合本发明的变异实施例的载荷感应套筒的示意图；

图7是根据本发明的第二实施例的电热塞的远侧部分的轴向剖视图；

图8是示意出根据本发明的电热塞的功能运动学的图示；

图9是根据本发明的第一实施例的电热塞的局部轴向剖视图；

图10是图9的细节视图；

图11是根据本发明的第一实施例的电热塞的传感器连接装置的电连接细节的轴向剖视图；

图12是图11的细节视图；

图13是沿图11的线XIII-XIII的示意剖视图；

图14是根据本发明的第一实施例的电热塞的部分切除了的透视图，具体示出了朝向挠性连接器外部的第一面，挠性连接器形成传感器连接装置；

图15是朝向挠性连接器的远侧末端内部的第二面的透视细节图。

具体实施方式

根据本发明的电热塞包括加热棒11，在图1的示例中，加热棒11是所谓的全金属型，实质上由金属管59构成。此金属管59是可以称为外围部的金属管，并且接纳电源电极12(其不形成加热棒自身的一体部分)，以便电能可以通过电流被供给至金属管59，电流能够加热至少一个电阻69，电阻69在金属管59内设置于电极12的远侧末端，并且能够(通过焦耳效应)加热棒11的远侧末端。电极12在金属管59的一定长度上延伸到金属管59内，并且通过插入的绝缘材料64与其绝缘。电极12轴向延伸突出到加热棒11的近侧末端38外面。电极12具有连接至电源连接部器98的近侧末端97。此加热棒11被接收于柱塞体13内，柱塞体13用于形成接纳壳体14。

加热棒11根据主轴41纵向延伸，主轴41也是柱塞体13的轴线，接纳壳体14的轴线以及柱塞体13的外壁42的螺纹部分43的轴线，所述螺纹部分配置成并且用于将电热塞固定在穿过发动机缸体(cylinder)头部的内部螺纹孔中。贯穿全文，术语“轴向”和“径向”以及它们的衍生词参考主轴41。

柱塞体13、其外壁42、接纳壳体14以及限定接纳壳体14的柱塞体13的内壁44优选围绕着主轴41旋转地对称，但不符合这种旋转对称的任何其它形式同样可以设想。为此，柱塞体13在形成接纳壳体14的远端部是管45的形式，其内壁44相对于主轴41是圆柱形的(不管旋转对称与否，也就是，其基部不必须是圆形的)。此管45具有通过截平的垫圈47封闭的远侧末端46，远侧末端46形成柱塞体13的远侧末端。因此，接纳壳体14在朝向近端的方向上从截平的垫圈47轴向延伸。

加热棒11在朝向远端的方向上轴向延伸到柱塞体13和垫圈47外面，穿过垫圈47的中央开口，并且具有意于延伸到燃烧室的气氛中的远端部49。加热棒11还具有延伸到接纳壳体14内的近端部50。

接纳壳体14包含加热棒11的安装套管48。此安装套管48的功能是相对于柱塞体13牢固固定加热棒11，同时在燃烧室气氛压力变化的作用下，使加热棒11可以相对于柱塞体13稍稍轴向平移运动。安装套管48还包括不透气装置15，16，保证了加热棒11和柱塞体13之间的不渗透性，以这种方式限定近端区域51，近端区域51不被暴露于接纳壳体14的燃烧室气氛中。

安装套管48包括固定环15，固定环15总体是圆柱形的并且具有圆柱形壁19，圆柱形壁19径向朝外，并且刚性且不可渗透地固定到接纳壳体14的内壁44(径向朝内)，具体地通过至少一个外围焊接部21，所述焊接部可以通过穿过管45厚度的激光实施。固定环15的壁19形成安装套管48的朝向接纳壳体14的内壁44的第一固定面。

固定环15具有内圆柱壁20，内圆柱壁20形成轴向穿过固定环15的孔。固定环15的内壁20的内径大于面朝着它的加热棒11的近端部50的外径，以形成用于将接收套筒16插入固定环15和加热棒11的近端部50之间的径向空间。

接收套筒16具有细(fine)金属管形式的管状主体部。此细金属管优选是高性能特征的不锈钢材料的，具体地杨氏模量大于150GPa，具体地约200GPa，弹性极限大于600MPa，例如约800MPa，并且疲劳强度(能够无限次循环的最大应力)至少300MPa，例如约400MPa。例如它是17-4PH钢或因科内尔镍铬合金钢(Inconel steel)。

接收套筒16的管状主体部具有内圆柱形壁22(径向朝内)，其内径对应于加热棒11的近端部50的直径(具体地，根据现行标准典型的为4mm)，以与此近端部50接触，并且通过至少一个外围焊接部23(具体地，图1所示示例中的外围焊接部的两个圆角)刚性且不可渗透地固定至近端部50。围绕着加热棒11的近端部50刚性且不可渗透地固定的接收套筒16的壁22因此形成第二面22，用于将安装套管48固定到加热棒11上。

接收套筒16的管状主体部具有外围圆柱形壁52，所述外围圆柱形壁52径向朝外，也就是，面朝固定环15的内壁20。在这些圆柱形的面对面的壁52，20之间径向地形成非常小的缝隙-具体地约0.2mm，以使接收套筒16相对于固定环15轴向平移运动。接收套筒16具有远侧末端24，其被刚性且不可渗透地固定到接纳环15的远侧末端25-具体地通过至少一个外围焊接部39。

接收套筒16的远侧末端24被向外并且朝向近侧卷起，以形成围绕接纳环15的远侧末端25的卷起部26，此卷起部26具有近侧末端部40，其通过所述外围焊接部39刚性且不可渗透地固定至径向朝向固定环15外部的壁19的远侧末端。优选地，在径向朝向固定环15的壁19的远侧末端外面的面上制造外围凹槽，用于接纳卷起部26的近侧末端部40，从而避免任何多余厚度。此卷起部26的近侧末端部40形成末端外围管状环40，当卷起部26是180°时，所述末端外围管状环40从近端侧并且平行于接收套筒16的所述管状主体部延伸。应注意，在变异(未示出)中，卷起部26可以制造成相对于接收套筒16的管状主体部不成180°，而是按照大于或小于180°的卷起部角度。然而，卷起部的(卷起部26相对于接收套筒16的管状主体部的)角度大于120°并且小于240°。所述近侧末端部40(具体地末端管状环40)的轴向高度小于接收套筒16的管状主体部的轴向高度，尤其小得多。换句话说，卷起部26的近侧末端相对于接收套筒16的管状主体部的近侧末端从远端侧偏置。

卷起部26例如可以通过压制(pressing)实现，其在接收套筒16的管状主体部和近端侧的卷起的末端部40之间具有弯回的连接部80，并且此弯回的连接部包括弯曲且具有连续曲率的位于径向平面内的部分，具体地通常为圆弧的形式，优选半圆或U的形式(连接部80是半环的形式)，或者当考虑管状主体部时是J的形式。作为变异，具有非恒定曲率的部分，例如，椭圆形的一部分或其他形式，的连接部80可以被提供。

因此，此卷起部26形成接收套筒16的末端部，其在弯曲中具有弹性并且因此允许加热棒11相当于固定环15(并且因此相当于柱塞体13)在足够大的幅度范围内轴向平移运动，并且在轴线平移中加热棒按照预定的刚度系数K1弹性收缩，通过适当地选择形成接收套筒16的材料及厚度，刚度系数K1可以被调整成相对很低的数值。优选地，接收套筒16，包括卷起部26，具有近似恒定的厚度，例如约0.35mm。

应注意接收套筒16的远侧末端的卷起部26具有许多优势。具体地，这种卷起部26可以通过简单地压制而实现。这使得可以通过加热棒11的近侧末端插入接收套筒，而不会破坏加热棒11。当发生变形时，卷起部26内的应力在不暴露于燃烧室的腐蚀性空气中的近侧端具有最大值。虽然具有相对较大的厚度，具体地约0.35mm，但获得了相对较低的弹性系数，使得加热棒11可以具有相对较大的运动。还可以在加热棒11和柱塞体13的远侧末端之间实现小尺寸，并且因此低热阻抗，的导热元件。

接收套筒16的管状主体部轴向穿过固定环15的长度，并且稍稍伸出固定环15的近侧末端28。彼此面对的圆柱形壁52，20，以及分开它们的小缝隙(典型地约0.2mm)，以及形成接收套筒16和固定环15的金属且导热的材料，有利于在接收套筒16和固定环15的水平上在加热棒11的近端部50和柱塞体13之间进行径向热交换。换句话说，径向热桥通过接收套筒16和固定环15而实现。因此，结果是接纳壳体14内的超出近侧端的接收套筒16和固定环15的元件，包括下面描述的载荷感应套筒17，更少地暴露于加热棒11和燃烧室的高温下。

接收套筒16的近侧末端27与载荷感应套筒17的远侧末端32接触，载荷感应套筒17总体为管状，并且完全围绕着加热棒11的金属管59的近端部50(更大直径，约4mm)轴向延伸接收套筒16的延长部分。载荷感应套筒17具有围绕着轴线41的回转对称性，并且与加热棒11和接纳壳体14同轴。载荷感应套筒17轴向且直接邻近(adjoin)套管48，用于轴向安装到近端侧。

在图1所示的实施例中，载荷感应套筒17包括远端环部31，其通过至少一个外围焊接部53刚性固定到接收套筒16的外围壁。此远端环部31被安装到接收套筒16的近侧末端27，并且在其近侧末端具有与加热棒11的外围壁(更确切地加热棒11的金属管59)的径向缝隙。

远端环部31的远侧末端32形成载荷感应套筒17的第一轴向末端，其通过接收套筒16被刚性连接至加热棒11，更确切地连接至加热棒11的金属管59。因此通过加热棒11沿轴线41的运动，载荷感应套筒17的远侧末端32被驱动而进行轴向平移，至少在朝向近端的方向上，并且在所示实施例中，在两个方向上轴向平移。

载荷感应套筒17的远侧末端32在轴向上距固定环15的近侧末端28一定距离，以使其在加热棒11的轴向运动期间不到达抵靠着固定环15的近侧末端28的限位挡块。但远端环部31的远侧末端32尽可能靠近固定环15，以使载荷感应套筒17直接位于固定环15近侧端上方。

在远端环部31上面(在近端侧)是压电材料的第一垫圈33，垫圈33上面是导电材料的中央垫圈34，垫圈34上面是压电材料的第二垫圈35，再上面是近端环部36。

以这种方式堆叠的载荷感应套筒17的各个环和垫圈31，33，34，35，36至少具有近似相同的内径，所述内径稍稍大于加热棒11的金属管59的外围直径，以使它们不接触加热棒11的金属管59。它们的径向厚度尽可能小，以使它们可以围绕着加热棒11的金属管59的近端部50(具有4mm的外围直径)容纳在接纳壳体14内，但仍允许检测在压电垫圈33，35内产生的轴向压缩应力。典型地，压电垫圈33，35的径向厚度约1mm。

载荷感应套筒17的近端环部36具有近侧末端37，近侧末端37还构成载荷感应套筒17的第二近侧轴向末端。在图1所示实施例中，载荷感应套筒17的近侧末端37在近端侧超出加热棒11的近侧末端38，加热棒11在轴向上不穿过整个载荷感应套筒17。然而，应注意载荷感应套筒17不完全围绕着电源电极12延伸，并且在接纳壳体14内处于可能的最远侧位置并且位于安装套管48的近端侧，安装套管48位于接纳壳体14的远侧末端。

载荷感应套筒17的近端环部36具有稍稍大于远端环部31、中央垫圈34和压电垫圈33，35的径向厚度。细金属连接管18围绕着载荷感应套筒17从近端环部36延伸，并且在远端侧与固定环15一样远。因此，此连接管18介于载荷感应套筒17和接纳壳体14的内壁44之间。连接管18具有近侧末端30和远侧末端29，近侧末端30通过至少一个外围焊接部54刚性固定至载荷感应套筒17的近端环部36上，远侧末端29，优选在固定环15的壁19上制造的并且径向向外的凹槽内，通过至少一个外围焊接部55刚性固定至固定环15的近侧末端28上，以避免任何多余的厚度。由于载荷感应套筒17的近端环部36的多余的径向厚度，所以在载荷感应套筒17的压电垫圈33，35，垫圈34和远端环部31与连接管18之间形成径向缝隙。类似地，连接管18足够细，以便在径向向外的圆柱形壁与面对着它的柱塞体13的接纳壳体14的内壁44之间沿连接管18的整个轴向长度上形成径向缝隙。以这种方式，连接管18不接触柱塞体13。

因此，连接管18将载荷感应套筒17的近侧末端37连接至固定环15，并且因此连接至柱塞体13。但因为此连接将载荷感应套筒17的近侧末端37的支撑点传递至固定环15，所以在载荷感应套筒17中产生的压缩应力实际上表示由于加热棒11的轴向移动而在与接收套筒16接触的加热棒11的近端部50与固定环15之间产生的剪切载荷。而且，因为载荷感应套筒17的两个轴向末端在至少近似彼此面对面的区域中分别靠在加热棒11(更确切地说靠在加热棒11的金属管59)上和柱塞体13上，所以载荷传感器套筒17供给的信号不会被缸体头部、柱塞体13或其它中间元件的变形而干扰，除下面解释的连接管之外。

非常细的连接管18在轴向牵引过程中具有弹性，利用预定的刚度系数K2在朝向远端的方向上缩回载荷感应套筒17的近侧末端37，刚度系数K2的数值可以通过适当地选择形成连接管18的材料及其尺寸而调整。例如，连接管18由从具有较高性能特征的不锈钢中选择的材料形成，并且其厚度(其外壁半径与内壁半径的差)约0.2mm。连接管18优选是具有较高性能特征的不锈钢的，杨氏模量大于150GPa，具体地约200GPa，弹性极限大于600MPa，例如约800MPa，并且疲劳强度(能够无限次循环的最大应力)至少300MPa，例如约400MPa。例如它是17-4PH钢或因科内尔镍铬合金钢。

在图示所示实施例中，连接管18的近侧末端30被简单地焊接至载荷感应套筒17的近端环部36的近侧末端37。应注意，为了获得刚度系数K2的合适数值，利用折叠形成朝向内部的卷起部，可以提供从连接管18的近侧末端30至载荷感应套筒17的近端环部36的连接，并且在远端侧此卷起部围绕着载荷感应套筒17的近侧末端37延伸，类似于接收套筒16远侧末端的卷起部26。根据本发明的柱塞的一般功能运动学在图8的图中示出了。

连接管18还具有至少一个开口56，其被制造成在连接管18的高度的一部分上从近侧末端30穿过整个厚度，与载荷感应套筒17的中央垫圈34一样远，以允许电连接引脚57通过，电连接引脚57被焊接至中央垫圈34的外部并且在近端侧延伸。此电连接引脚57可以将压电垫圈33，35在近端侧产生的信号传递至用于处理载荷感应套筒17供给的信号的电子电路90。

电连接引脚57在挠性连接器71的远侧末端以多层带的常规形式形成，如图11至13所示。此连接器71包括绝缘材料的支撑层72，所述支撑层72优选在弯曲过程中是挠性的并且具有径向朝向加热棒的主轴41外面的第一面73，此第一面73承载信号线74。信号线由支撑层72的远侧末端75和用于处理载荷感应套筒17供给的信号的电子电路90之间的金属轨迹(例如铜)形成，所述金属轨迹沉积在所述第一面73上并且沿连接器纵向延伸，此电子处理电路90被支撑在第一面73的近侧末端部上。信号线74通过导电套管77连接至末端接柱78上，导电套管77穿过支撑层72的厚度并且在其远侧末端75形成，末端接柱78被应用于第二面79上，径向朝向加热棒的主轴41，并且因此与支撑层72的第一面73相反。套管77例如被充填导电粘合剂76。导电材料(例如沉积在面79上的铜)形成的接柱78(通过焊接或导电粘合剂)被连接至中央垫圈34，以便信号线74将载荷感应套筒17供给的信号传递至电子处理电路90。

信号线74的宽度只覆盖第一面73宽度的一部分，并且在第一面73的中间部分中延伸。第一面73还承载着两根导电接地线81，它们沿此第一面73以及信号线74的每一侧并且围绕套管77延伸，从而形成围绕着信号线74的外围屏蔽。每根导电接地线81例如是沉积在第一面73上的导电材料(例如铜)的轨迹的形式，并且被连接至例如位于电子处理电路90的水平上的柱塞体的电接地部。有利地，绝缘材料层83覆盖所述第一面73承载的每个导电轨迹(信号线74及接地线81)，以避免与面对着它们的柱塞体的内壁的任何接触。此层83可以是整个覆盖第一面73的绝缘漆层的形式。

径向向内朝向加热棒的主轴41的支撑层72的所述第二面79承载着导电接地层82。此导电接地层82，例如是沉积在第二面79上的导电材料的宽轨迹的形式，至少近似覆盖第二面79的整个宽度，并且被连接至例如位于电子处理电路90的水平上的柱塞体的电接地部。支撑层72的宽度以及整个挠性连接器71的宽度从主轴41偏置并且依照接纳壳体的非直径方向的弦(non diametrical cord)延伸。而且，支撑层72以及因此导电接地层82的宽度尽可能大，具体地大于信号线74的宽度，并且大于形成于柱塞体内的圆柱形接纳壳体的半径。这样，如此形成的屏蔽的效率得到最优化。

导电接地层82在其远侧末端85在距接柱78一定距离处被断开，以避免与接柱78的任何电接触。优选地，导电接地层82在其远端侧不超出载荷感应套筒17的近端环部36。导电接地层82的远侧末端85(通过焊接或导电粘合剂)被连接至载荷感应套筒17的近端环部36。

导电接地层82被(径向)置于加热棒11的电源电极12(轴向中央定位于主轴41上)与用于传递载荷感应套筒17的电信号的信号线74之间，并且因此充当电屏蔽，避免了任何电容耦合。因此，导电接地层82沿加热棒和信号线74的电源连接装置纵向延伸，设置于主轴41和信号线74之间。

因此，信号线74在所有侧面都被接地的导电屏蔽包围：所述导电接地层82形成内侧上的屏蔽，导电导地线82形成所述外围横向屏蔽，并且金属柱塞体形成外侧上的屏蔽。因此，所形成的多层挠性连接器71构成了电连接装置，被称为传感器连接装置(link)71，其在柱塞体内在载荷传感器17和柱塞体13的近端部84之间延伸，所述传感器连接装置71被整体屏蔽。

有利地，电子处理电路90用于在柱塞体的近侧输出终端供给表示载荷感应套筒17供给的信号的电压，以及因此缸体压力。此电路90可以是电荷放大集成电路的形式。因此，根据本发明的电热塞构成了独立自主式单元，其可以在工厂内制造、配置、调整以及鉴定，并且提供为在任何发动机上使用。

另外，柱塞体13由多个不同的金属管构成，它们刚性组装成彼此轴向延伸，也就是近端金属管95通过远端金属管45轴向延展。具体地，近端管95形成柱塞体13的近端部84，接纳电子信号处理电路90和电热塞的各个连接器。用于将电热塞安装到发动机缸体头部上的螺纹部43形成于近端金属管95的外壁上。

远端管45具有小于近端管95的厚度(外径和内径的差)。近端管95在其远侧末端具有其外壁的收缩部96，形成用于接纳远端管45的近侧末端的凹槽。优选地，此接纳收缩部96具有对应于远端管45的厚度，使得近端管95和远端管45的外壁在这两个管45，95的接合处彼此连续，近端管95和远端管45具有相同的外径。远端管45和近端管95通过激光焊接以端部对端部的方式连接在一起。

远端管45由第一金属合金制成，近端管95由第二金属合金制成，并且形成远端管45的第一金属合金具有优于形成近端管95的第二金属合金的机械性能。更具体地，有利地并且根据本发明，形成远端管45的第一金属合金比形成近端管95的第二金属合金具有更高的弹性极限。具体地，有利地并且根据本发明，所述金属合金被选择用于补偿近端管95和远端管45之间厚度的减小，同时提供机械性能(尤其是弹性极限)的连续性。有利地并且根据本发明，远端管45和近端管95之间的厚度差使得：Y1×S1＝Y2×S2，其中Y1是形成近端管的金属合金的弹性极限，S1是由所述近端管的厚度形成的截面面积，Y2是形成远端管的金属合金的弹性极限，并且S2是由所述远端管的厚度形成的截面面积。

例如，形成所述远端管45的第一金属合金是具有较高性能特征的不锈钢，具体地杨氏模量大于150GPa，具体地约200GPa，弹性极限大于600MPa，例如约800MPa，并且疲劳强度(能够无限次循环的最大应力)至少300MPa，例如约400MPa。例如它是17-4PH钢或因科内尔镍铬合金钢。有利地，形成近端管95的第二金属合金可以是快速机加工的不锈钢，例如，其弹性极限约150MPa。

具体地，对于相同的外径以及对于基本上没有改变的柱塞体13的单元的机械性能来说，这种减小了厚度的远端管45增加了形成所述接纳壳体14的可用内部空间。

优选地，至少在本实施例中，载荷感应套筒17包括至少一个压电垫圈33，35，压电垫圈被装配有轴向压缩的预载荷，例如约100N，用于保证每个压电垫圈33，35一直受压(通过被施加了预应力的卷起部26的弹性收缩系数K1和连接管18的弹性收缩系数K2)，而不管加热棒11的轴向位置，包括在燃烧室内为低压的情况。因此，载荷感应套筒17供给表示在加热棒11相对于柱塞体13的轴向运动期间其承受的轴向压缩应力的变化的信号。此轴向压缩预载荷可以通过，在执行连接管18的远侧末端29的外围焊接部55到固定环15的近侧末端28的焊接瞬间(图3)，在固定环15(具有径向向外并且朝向远端侧的肩部58)和连接管18的近侧末端30之间施加轴向压缩载荷而获得。

图2至5示出了根据本发明的第一实施例的电热塞的制造过程的不同阶段。

首先，通过外围焊接围绕着加热棒11固定接收套筒16，然后，插入固定环15并且通过外围焊接围绕着接收套筒16将固定环15固定在卷起部26内。接着，经由加热棒11的近侧末端38引入载荷感应套筒17(图2)，直到其抵靠接收套筒16的近侧末端。执行载荷感应套筒17的远端环部31的外围焊接部53到接收套筒16上的焊接。然后，经由加热棒11的近侧末端38围绕着载荷感应套筒17引入连接管18。执行连接管18的近侧末端30的外围焊接部到载荷感应套筒17的近侧末端37上的焊接。然后，通过轴向压缩(约100N)，将连接管18的远侧末端29的外围焊接部焊接到固定环15的近侧末端28上(图3)。进行加热棒11(经由电极12)和载荷感应套筒17(经由引脚57)的电连接，并且装配电热塞的近端部的各个元件(图4)。再经由加热棒11的远侧末端插入形成接纳壳体14的柱塞体13的远端管45，然后是截平的远侧末端垫圈47，通过外围焊接固定整体(图5)。

当缸体压力增加时，加热棒11在朝向近端的方向上稍稍轴向平移，压缩载荷感应套筒17，其压电垫圈33，35提供表示此压缩的电荷。

按照刚度系数K1，接收套筒16的远侧末端的卷起部26抵抗着缸体压力收缩远端侧的加热棒11。对于相同的压力增加值，此收缩可以降低载荷感应套筒17承受的压缩应力，从而最大了其工作范围。其还可以限制连接管18承受的应力。

按照刚度系数K2，连接管18的弹性，一方面可以降低对于相同的缸体压力载荷感应套筒17所承受的载荷，另一方面可以降低卷起部26承受的压缩应力。刚度系数K2数值越大，载荷感应套筒17承受的应力越大(对于相同的缸体压力)。而且，按照刚度系数K2，连接管18的弹性可以保持足够厚度(具体地约0.35mm)的(通过卷起部26形成的)不渗透性薄膜，优势在于，通过经由此不渗透性薄膜的热传导可以很好地处置热量(卡路里)，同时避免此不渗透性薄膜在热膨胀差异的作用下承受过大的应力(导致薄膜塑性变形或弹性变形的危险)。

而且，如果连接管18和接收套筒16由相同材料或具有相同热学性能的材料制成，这将补偿作为温度的函数的刚度系数K1和K2的变化。有利地并且根据本发明，连接管18和接收套筒16由从不锈钢，优选高性能特征的不锈钢，具体地高弹性极限和高疲劳强度，中选择的相同材料制成。具体地，有利地并且根据本发明，连接管18和接收套筒16由相同的具有高性能特征的不锈钢制成，具体地杨氏模量大于150GPa，具体地约200GPa，弹性极限大于600MPa，例如约800MPa，并且疲劳强度(能够无限次循环的最大应力)至少300MPa，例如约400MPa。例如它是17-4PH钢或因科内尔镍铬合金钢。

两个刚度系数K1和K2的选择可以调整所形成的机械系统的通频带(pass band)，例如，以使其具有第一常规模式(normal mode)(基本或自然频率)，轴向振动大于10kHz。例如，利用K1＝K2≈40N/μm，可以获得很好的结果。

如图所示，标准尺寸的电热塞被获得，其引用了供给以极其可靠且精确的方式表述缸体压力的信号的载荷传感器，不受加热棒11的变形的常规模式或电源电极12的常规模式，或者不受柱塞体13或缸体头部的变形所干扰。事实上，请注意载荷感应套筒17不承受高于170℃的温度。

在图7所示的第二实施例中，加热棒11′不是单一金属管的形式，而是陶瓷棒60的形式，陶瓷棒60被设置在外围金属管61内(并且通过铜焊或紧固装置固定，也就是，用残余弹性径向应力强迫插入)，所述外围金属管61形成加热棒11′的外围壁和加热棒11′的截面面积(section)，加热棒11′的直径等于4mm。外围金属管61不但在接纳壳体14内轴向延伸，而且还伸出垫圈47和柱塞体13，部分形成加热棒11′的远端部。陶瓷棒60在其近侧末端和远侧末端都轴向伸出外围金属管61。陶瓷棒60还以已知的方式引入电阻部件，其被通过霍尔效应供给电流和热。

载荷感应套筒17还围绕着加热棒11′，也就是，围绕着金属管61的近端部63和陶瓷棒60的近端部62延伸，位于接纳壳体14内可能的最远侧位置，轴向直接邻接近端侧的固定环15，以及因此直接邻接安装套管48。在本第二所示实施例中，载荷感应套筒17稍稍伸出加热棒11′的外围管61的近侧末端。然而，在近端侧，载荷感应套筒17不伸出由陶瓷棒60的近侧末端构成的加热棒11′的近侧末端。此加热棒的电源被实现为围绕着陶瓷棒60的近侧末端缠绕的电线的绕组70，与陶瓷棒60电接触。其它方面，第二实施例与第一实施例相同。

如图所示，本发明与金属管59形式的加热棒11相容，与设置在外围金属管61内的陶瓷棒60形式的加热棒11′相容。

图6示出了可以用于根据本发明的电热塞中的载荷传感器套筒67的变异实施例。在变异中，载荷传感器套筒67不包括压电垫圈，而是包括至少一个应力计65(盘绕的电线，其电阻与变形有关地变化)，其端子68和66被连接至如上所述的类似于电连接引脚的引脚57。在本变异实施例中，载荷传感器套筒67可以在轴向压缩和牵引过程中同等良好地行使功能。

本发明可以具有关于如上所述并且如图中所示的实施例的诸多变异。具体地，载荷感应套筒17可以包括单一的压电垫圈或多于两个压电垫圈，载荷感应套筒17的近侧末端可以直接焊接至加热棒，等等。而且，可以使焊接到加热棒上的载荷感应套筒的轴向末端作为其近侧末端(而不是其远侧末端)，载荷感应套筒的远侧末端被连接至柱塞体。焊接可以通过激光焊接或其它方式实施。

Claims (12)

1.一种电热塞，包括：

加热棒(11，11')，其包括外围金属管(59，61)，并且具有近侧末端(38)，所述近侧末端被装备有加热棒的电源连接部，

柱塞体(13)，其形成接纳壳体(14)，所述接纳壳体接纳加热棒，所述加热棒具有轴向延伸的远端部，伸出柱塞体，

安装装置，用于将加热棒安装在所述接纳壳体(14)内，所述安装装置被设置成：

允许加热棒相对于柱塞体轴向平移运动，并且

保证加热棒和柱塞体之间的不渗透性，从而限定出接纳壳体的近端区域(51)，该近端区域不暴露于接纳电热塞的发动机燃烧室中的气氛，

载荷感应套筒(17，67)，其整个在接纳壳体的所述近端区域内延伸，所述载荷感应套筒成管状并且具有：

第一轴向末端(32)，其被连接至加热棒，以通过加热棒至少在朝向近端的方向上的运动而被驱动进行轴向平移，其中加热棒沿所述朝向近端的方向重新进入柱塞体的内部，以及

第二轴向末端(37)，与第一轴向末端相反，所述第二轴向末端被连接至柱塞体，以便加热棒相对于柱塞体的轴向平移运动在所述载荷感应套筒中产生轴向压缩或牵引应力，

其特征在于，

所述管状载荷感应套筒(17，67)围绕着加热棒(11，11')的外围金属管(59，61)的近端部(50，63)延伸，该近端部也在所述接纳壳体(14)的近端区域(51)内延伸，并且

所述管状载荷感应套筒(17，67)在近端侧轴向直接邻接安装装置。

2.根据权利要求1所述的电热塞，其特征在于，所述加热棒(11')是设置在外围金属管(61)内的陶瓷棒(60)的形式，所述载荷感应套筒(17，67)围绕着加热棒的外围金属管的近端部(63)延伸。

3.根据权利要求1所述的电热塞，其特征在于，所述加热棒(11)基本上是金属管的形式，所述载荷感应套筒(17，67)围绕着所述金属管的近端部(50)延伸。

4.根据权利要求1至3中任一所述的电热塞，其特征在于，所述安装装置包括安装套管(48)，所述安装套管(48)在所述接纳壳体(14)内并且围绕着加热棒的外围金属管(59，61)的所述近端部(50，63)固定，并且所述载荷感应套筒(17，67)由所述安装套管(48)承载。

5.根据权利要求4所述的电热塞，其特征在于，所述安装套管(48)具有第一固定面(19)和第二固定面(22)，所述第一固定面(19)被朝向接纳壳体(14)刚性且不渗透地固定至内壁(44)，所述第二固定面(22)被刚性且不渗透地围绕着加热棒的所述近端部(50，63)固定，并且所述安装套管的第一固定面(19)和第二固定面(22)在轴向上至少部分彼此面对。

6.根据权利要求5所述的电热塞，其特征在于，所述载荷感应套筒(17，67)朝向加热棒的近侧末端轴向伸出所述安装套管(48)的固定面(19，22)。

7.根据权利要求1至3中任一所述的电热塞，其特征在于，所述载荷感应套筒的所述第一轴向末端(32)是载荷感应套筒的远侧末端，并且所述载荷感应套筒的所述第二轴向末端(37)是载荷感应套筒的近侧末端。

8.根据权利要求5所述的电热塞，其特征在于，所述安装套管(48)包括连接管(18)，所述连接管(18)围绕着载荷感应套筒(17，67)并且将载荷感应套筒的所述第二轴向末端(37)连接至所述第一固定面(19)。

9.根据权利要求8所述的电热塞，其特征在于，所述安装套管(48)包括接收套筒(16)，用于接纳形成所述第二固定面(22)的加热棒，以及形成所述第一固定面(19)的固定环(15)，所述接收套筒(16)在固定环内的轴向平移中被引导，所述接收套筒被连接至固定环的远侧末端(25)。

10.根据权利要求9所述的电热塞，其特征在于，所述连接管(18)被连接至固定环的近侧末端(28)。

11.根据权利要求1至3中任一所述的电热塞，其特征在于，所述载荷感应套筒(17，67)是管状块的形式，并且所述加热棒(11，11')整个轴向穿过安装套管(48)，并且至少部分穿过载荷感应套筒(17，67)。

12.根据权利要求1至3中任一所述的电热塞，其特征在于，所述载荷感应套筒包括至少一个压电材料的垫圈。